本发明公开了一种多级离心泵的空间导叶的设计方法，包括建立叶轮模型；根据叶轮模型和单级性能参数，确定空间导叶初步参数，得到空间导叶的初步模型；将叶轮模型和空间导叶的初步模型组合成一级，对空间导叶的初步参数进行优化，并对该级进行流体仿真；根据单级流体仿真结果，对空间导叶的初步模型进行调整，直至满足预设的单级条件为止；根据级间的相互影响，对空间导叶的初步模型进行调整，并进行多级流体仿真；根据多级流体仿真结果，对空间导叶的初步模型进行调整，直至满足预设的多级条件为止，得到最终的空间导叶模型。因此，该方法

　　(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 112784370 A (43)申请公布日 2021.05.11 (21)申请号 5.1 (22)申请日 2020.12.31 (71)申请人 沈阳鼓风机集团股份有限公司 地址 110869 辽宁省沈阳市经济技术开发 区开发大路16号甲 (72)发明人 张鑫太谭佳健沙龙刘雷 高国红孙卉孔祥东 (74)专利代理机构 北京中强智尚知识产权代理 有限公司 11448 代理人 黄耀威 (51)Int.Cl. G06F 30/17 (2020.01) G06F 30/28 (2020.01) F04D 29/44 (2006.01) 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (54)发明名称 一种多级离心泵的空间导叶的设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种多级离心泵的空间导叶 的设计方法，包括建立叶轮模型；根据叶轮模型 和单级性能参数，确定空间导叶初步参数，得到 空间导叶的初步模型；将叶轮模型和空间导叶的 初步模型组合成一级，对空间导叶的初步参数进 行优化，并对该级进行流体仿真；根据单级流体 仿真结果，对空间导叶的初步模型进行调整，直 至满足预设的单级条件为止；根据级间的相互影 响，对空间导叶的初步模型进行调整，并进行多 级流体仿真；根据多级流体仿真结果，对空间导 叶的初步模型进行调整，直至满足预设的多级条 件为止，得到最终的空间导叶模型。因此，该方法 A 能够得到满足实际需求的卧式分段式多级离心 0 泵的空间导叶。 7 3 4 8 7 2 1 1 N C CN 112784370 A 权利要求书 1/1页 1.一种多级离心泵的空间导叶的设计方法，其特征在于，包括： 建立叶轮模型； 根据所述叶轮模型和单级性能参数，确定空间导叶初步参数，得到空间导叶的初步模 型； 将所述叶轮模型和所述空间导叶的初步模型组合成一级，对所述空间导叶的初步参数 进行优化，并对该级进行流体仿真； 根据单级流体仿真结果，对所述空间导叶的初步模型进行调整，直至满足预设的单级 条件为止； 根据级间的相互影响，对所述空间导叶的初步模型进行调整，并进行多级流体仿真； 根据多级流体仿真结果，对所述空间导叶的初步模型进行调整，直至满足预设的多级 条件为止，得到最终的空间导叶模型。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述叶轮模型和单级性能参数， 确定导叶初步参数，包括： 根据所述叶轮模型的出口宽度，按照如下公式，计算得到所述空间导叶的进口宽度； b3＝b2+(0～2mm)； 其中，b2为所述叶轮模型的出口宽度，b3为所述空间导叶的进口宽度； 根据，按照如下公式，计算得到所述空间导叶模型的进口半径； R3＝(1.02～1.05)*R2； 其中，R2为所述叶轮模型的出口半径，R3为所述空间导叶的进口半径； 根据所述叶轮模型的叶片数量，按照如下公式计算，确定所述空间导叶的叶片数量； zi＝z‑(1～3)； 其中，zi为所述空间导叶的叶片数量，z为所述叶轮模型的叶片数量，其zi与z互质； 根据所述叶轮模型的叶片出口安装角度，按照如下公式，确定所述空间导叶的进口叶 片的安装角度， βb3＝βb2‑(1°～7°)； 其中，βb3为所述空间导叶的进口叶片的安装角度，βb2为所述叶轮模型的叶片出口安 装角度； 根据所述空间导叶的叶片最小厚度，按照如下公式，确定所述空间导叶的叶片最大厚 度， δmax＝(2～4)*δ1； 其中，δmax为所述叶片最大厚度，δ1为所述空间导叶的叶片最小厚度。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间导叶的叶片最小厚度为3‑6mm，所 述空间导叶的出口叶片安防角度为90°，所述空间导叶的后盖板的尾缘线°； 所述空间导叶的叶片出口宽度、叶片出口半径、进口宽度及进口半径，满足如下关系， R4*b4＝(0.65～0.85)*R3*b3； 其中，b4为所述空间导叶的叶片出口宽度，R4为所述空间导叶的叶片出口半径，b3为所 述空间导叶的进口宽度，R3为所述空间导叶的进口半径， 所述空间导叶的叶片间过流断面为矩形断面。 2 2 CN 112784370 A 说明书 1/5页 一种多级离心泵的空间导叶的设计方法 技术领域 [0001] 本发明涉及多级离心泵技术领域，特别涉及一种多级离心泵的空间导叶的设计方 法。 背景技术 [0002] 叶片泵的主要过流部件有吸水室、叶轮和压水室。压水室位于叶轮外围，其作用是 收集从叶轮流出的液体并均匀地送入下一级或排出管，在收集液体过程中把叶轮出口液体 的大部分动能在损失尽可能小的情况下转化为压力能。压水室主要有涡室(即螺旋形压水 室)、径向导叶、空间导叶和轴流泵导叶等形式。 [0003] 空间导叶是一种常用压水室，正、反导叶合为一体。因为叶片是空间扭曲的，故称 为空间导叶。空间导叶与卧式分段式多级泵常用的径向导叶相比，由于空间导叶从进口到 出口叶片间形成单独的流道，减小了流体在流道内的水力损失，包括冲击损失和掺混损失。 有助于提高卧式分段式多级泵的效率。根据CFD分析结果，同一离心叶轮(配空间导叶比配 现有径向导叶的级，在设计工况点的单级(即一个叶轮和一个空间导叶的组合)效率要高 2％以上。 [0004] 但是现有空间导叶多用于各种立式泵，多级的有各种井泵、潜水泵、凝结水泵，单 级的有导叶式混流泵等。这些立式泵所用空间导叶的主要特点是轴向长度大、径向尺寸小。 由于现有空间导叶轴向长度大，无法用于卧式分段式多级离心泵。 发明内容 [0005] 本发明的目的在于提供一种多级离心泵的空间导叶的设计方法，以解决现有空间 导叶轴向长度大，无法用于卧式分段式多级离心泵的问题。 [0006] 根据本发明的实施例，提供了一种多级离心泵的空间导叶的设计方法，包括： [0007] 建立叶轮模型； [0008] 根据所述叶轮模型和单级性能参数，确定空间导叶初步参数，得到空间导叶的初 步模型； [0009] 将所述叶轮模型和所述空间导叶的初步模型组合成一级，对所述空间导叶的初步 参数进行优化，并对该级进行流体仿线] 根据单级流体仿真结果，对所述空间导叶的初步模型进行调整，直至满足预设的 单级条件为止； [0011] 根据级间的相互影响，对所述空间导叶的初步模型进行调整，并进行多级流体仿 线] 根据多级流体仿真结果，对所述空间导叶的初步模型进行调整，直至满足预设的 多级条件为止，得到最终的空间导叶模型。 [0013] 具体地，所述根据所述叶轮模型和单级性能参数，确定空间导叶初步参数，包括： [0014] 根据所述叶轮模型的出口宽度，按照如下公式，计算得到所述空间导叶的进口宽 3 3 CN 112784370 A 说明书 2/5页 度； [0015] b3＝b2+(0～2mm)； [0016] 其中，b2为所述叶轮模型的出口宽度，b3为所述空间导叶的进口宽度； [0017] 根据，按照如下公式，计算得到所述空间导叶模型的进口半径； [0018] R3＝(1.02～1.05)*R2； [0019] 其中，R2为所述叶轮模型的出口半径，R3为所述空间导叶的进口半径； [0020] 根据所述叶轮模型的叶片数量，按照如下公式计算，确定所述空间导叶的叶片数 量； [0021] zi＝z‑(1～3)； [0022] 其中，zi为所述空间导叶的叶片数量，z为所述叶轮模型的叶片数量，其zi与z互 质； [0023] 根据所述叶轮模型的叶片出口安装角度，按照如下公式，确定所述空间导叶的进 口叶片的安装角度， [0024] βb3＝βb2‑(1°～7°)； [0025] 其中，βb3为所述空间导叶的进口叶片的安装角度，βb2为所述叶轮模型的叶片出 口安装角度； [0026] 根据所述空间导叶的叶片最小厚度，按照如下公式，确定所述空间导叶的叶片最 大厚度， [0027] δmax＝(2～4)*δ1； [0028] 其中，δmax为所述叶片最大厚度，δ1为所述空间导叶的叶片最小厚度。 [0029] 具体地，所述空间导叶的叶片最小厚度为3‑6mm，所述空间导叶的出口叶片安防角 度为90°，所述空间导叶的后盖板的尾缘线] 所述空间导叶的叶片出口宽度、叶片出口半径、进口宽度及进口半径，满足如下关 系， [0031] R4*b4＝(0.65～0.85)*R3*b3； [0032] 其中，b4为所述空间导叶的叶片出口宽度，R4为所述空间导叶的叶片出口半径，b3 为所述空间导叶的进口宽度，R3为所述空间导叶的进口半径， [0033] 所述空间导叶的叶片间过流断面为矩形断面。 [0034] 本发明实施例提供了一种多级离心泵的空间导叶的设计方法，分别对单级及多级 进行流体仿真，然后根据仿真结构进行参数调整优化，从而能够得到满足实际需求的卧式 分段式多级离心泵的空间导叶。 附图说明 [0035] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。 [0036] 图1为本发明提供的一种多级离心泵的空间导叶的设计方法的流程图； [0037] 图2为叶轮和空间导叶的结构图。 4 4 CN 112784370 A 说明书 3/5页 具体实施方式 [0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。 [0039] 根据本发明的实施例，如图1和图2所示，提供了一种多级离心泵的空间导叶的设 计方法，包括： [0040] 步骤11：建立叶轮1模型。 [0041] 根据已有离心叶轮1二维水力图，读取图纸标注数据或用尺规测量出水力设计需 要的几何参数和信息。如叶轮1的进口宽度b1、叶轮1的出口宽度b2、叶轮1的进口直径D1、叶 轮1的出口直径D2、叶轮1的进口处叶根半径R1H、从叶根到叶顶不同半径处的进口冲角i、叶 片数z、叶轮1的叶片进口边厚度δ1、叶轮1的叶片线、子午型线的线型、各段曲线连接点的坐标和型线] 利用三维建模软件，按已有离心叶轮1二维水力图进行叶轮1叶片的三维建模。首 先按压力面轴面截线在水力图上取点，每条轴面截线生成一个*.ibl文件。之后，按同样的 方法提取吸力面*.ibl文件。在三维建模软件中读入*.ibl文件，生成叶轮1叶片的压力面和 吸力面曲面。接着导入前、后盖板型线条线个曲 面，延伸叶片的压力面和吸力面。然后，各个交接曲面合并实体化，生成三维叶轮1叶片，对 叶片前缘倒圆，得到最终符合水力图的叶轮1叶片。 [0043] 完成三维建模后，从三维建模软件中导出叶轮1叶片三维模型的*.igs文件。利用 三维设计软件读入叶轮1(件1)叶片之后，按照得到的已有叶轮1的几何参数对叶轮1进行微 调，圆整长度和角度数值，做到三维设计软件中的模型与已有的实际叶轮1完全一致。 [0044] 步骤12：根据叶轮1模型和单级性能参数，确定空间导叶2初步参数，得到空间导叶 2的初步模型。 [0045] 具体地，根据叶轮1模型和单级性能参数，确定空间导叶2初步参数，包括： [0046] 根据叶轮1模型的出口宽度，按照如下公式，计算得到空间导叶2的进口宽度； [0047] b3＝b2+(0～2mm)； [0048] 其中，b2为叶轮1模型的出口宽度，b3为空间导叶2的进口宽度； [0049] 根据，按照如下公式，计算得到空间导叶2模型的进口半径； [0050] R3＝(1.02～1.05)*R2； [0051] 其中，R2为所述叶轮模型的出口半径，R3为空间导叶2的进口半径； [0052] 根据叶轮1模型的叶片数量，按照如下公式计算，确定空间导叶2的叶片数量； [0053] zi＝z‑(1～3)； [0054] 其中，zi为空间导叶2的叶片数量，z为叶轮1模型的叶片数量，其zi与z互质； [0055] 根据叶轮1模型的叶片出口安装角度，按照如下公式，确定空间导叶2的进口叶片 的安装角度， [0056] βb3＝βb2‑(1°～7°)； [0057] 其中，βb3为空间导叶2的进口叶片的安装角度，βb2为叶轮1模型的叶片出口安装 角度； 5 5 CN 112784370 A 说明书 4/5页 [0058] 根据空间导叶2的叶片最小厚度，按照如下公式，确定空间导叶2的叶片最大厚度， [0059] δmax＝(2～4)*δ1； [0060] 其中，δmax为叶片最大厚度，δ1为空间导叶2的叶片最小厚度。 [0061] 空间导叶2的叶片最小厚度为3‑6mm，空间导叶2的出口叶片安防角度为90°，空间 导叶2的后盖板的尾缘线的叶片出口宽度、叶片出口半径、进口宽度及进口半径，满足如下关系， [0063] R4*b4＝(0.65～0.85)*R3*b3； [0064] 其中，b4为空间导叶2的叶片出口宽度，R4为空间导叶2的叶片出口半径，b3为空间 导叶2的进口宽度，R3为空间导叶2的进口半径。 [0065] 步骤13：将叶轮1模型和空间导叶2的初步模型组合成一级，对空间导叶2的初步参 数进行优化，并对该级进行流体仿线] 在三维设计软件中，把叶轮1和空间导叶2组合成一个级，一起进行设计。设计完成 单级初步方案后，进行单级CFD分析，即进行流体仿真分析。在用CFD软件计算时，网格质量 应该满足：正交性≥20°，长宽比≤1000，延展比≤3。为了保证计算域进口物理量更接近实 际，出口物理量更趋于稳定，使得计算结果比较准确，需要对计算域进、出口分别向上、下游 延伸。通过修改网格的壁面距离来改变y+值，直到y+值在CFD计算所选用的湍流模型规定的 范围内。通过增加和减少I、J、K三个方向的网格数量，来调整整个计算域的网格数量，分别 进行CFD计算，确定最佳网格数量和网格拓扑结构。根据计算结果后处理CFD分析结果，详细 查看空间导叶2内的流动情况，以减小损失为目标，对空间导叶2进行详细三维优化设计。 [0067] 其中，对空间导叶2的初步参数进行优化包括调整子午型线，具体地，根据单级性 能参数和轴向径向尺寸控制图，确定级间距。在级间距限定范围内，调整子午型线，先用贝 赛尔曲线调整出适当曲率的轮廓线，再用圆弧直线] 调整厚度分布，具体地，根据结构设计对导叶叶片的强度要求，以及结构设计时需 要考虑定位止口、定位销钉安装空间等要求，调整导叶叶片厚度分布。 [0069] 调整导叶叶片角分布，具体地，首先确定导叶进出口叶片角的值。根据叶轮1出口 流动情况，确定空间导叶2进口叶片角。以减小下一级进口预旋为目的，确定导叶出口叶片 角。调整叶片角的分布规律，得到比较好面积分布规律，同时也要兼顾叶片倾斜角不能太小 或者太大，否则会增大制造难度。为了把水力损失降低到最小，空间导叶2叶片间过流断面 为矩形断面或者近似矩形断面。 [0070] 在导叶优化设计完成后，再次进行单级CFD分析。 [0071] 步骤14：根据单级流体仿线的初步模型进行调整，直至满足预 设的单级条件为止。 [0072] CFD计算完成后，查看单级性能是否满足要求。如果不满足，则继续优化；如果满 足，则进行多级研究。 [0073] 步骤15：根据级间的相互影响，对空间导叶2的初步模型进行调整，并进行多级流 体仿线进口速度分布的变化，会改变叶轮1叶片的做功，进而影响本级 的性能。而叶轮1进口速度分布取决于上一级空间导叶2的出口流动。为了得到合理的速度 分布，需要对导叶叶片出口角改进。通过改进设计并CFD分析，得出与叶轮1的最佳匹配值。 6 6 CN 112784370 A 说明书 5/5页 [0075] 级间影响研究包括倒钩型设计，具体地，根据两级计算结果的流线子午型线，确定空间导叶后盖板倾斜角θ，形成倒钩型空间导叶2，这样更符合流体惯 性运动规律。 [0076] 修改二次弯道，具体地，根据两级计算所得的子午流线，修改二次弯道型线的匹配，把已经与次级叶轮1匹配较好的空间导叶2与首级 叶轮1组合计算首级性能。 [0078] 步骤16：根据多级流体仿线的初步模型进行调整，直至满足预 设的多级条件为止，得到最终的空间导叶2模型。 [0079] 在级间影响研究方面的优化设计完成后，再次进行多级CFD分析。CFD计算完成后， 查看多级性能是否满足要求。如果不满足，则继续优化；如果满足，则进行输出，即通过三维 设计软件的输出接口，输出所需格式的空间导叶2三维模型。 [0080] 本发明实施例提供了一种多级离心泵的空间导叶2的设计方法，分别对单级及多 级进行流体仿真，然后根据仿真结构进行参数调整优化，从而能够得到满足实际需求的卧 式分段式多级离心泵的空间导叶2。 [0081] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其 它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或 者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识 或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的 权利要求指出。 [0082] 应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并 且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。 7 7 CN 112784370 A 说明书附图 1/2页 图1 8 8 CN 112784370 A 说明书附图 2/2页 图2 9 9

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